STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH JARAK ANTAR SILINDER DENGAN HELICAL RODS BER-GAP UNTUK KONFIGURASI TANDEM TERHADAP POLA ALIRAN DAN GAYA EKSITASI VORTEX SHEDDING - ITS Repository

  TUGAS AKHIR – MO141326

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH JARAK ANTAR SILINDER

DENGAN HELICAL RODS BER-GAP UNTUK KONFIGURASI

TANDEM TERHADAP POLA ALIRAN DAN GAYA EKSITASI

  VORTEX SHEDDING KRESNA HADI DWIPAYANA NRP. 4312100073 DOSEN PEMBIMBING : Dr. Eng Rudi W. Prastianto, S.T., M.T. Nur Syahroni, S.T., M.T., Ph.D. DEPARTEMEN TEKNIK KELAUTAN FAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017

  UNDERGRADUATE THESIS – MO141326

EXPERIMENTAL STUDY ON EFFECT OF DISTANCE BETWEEN

CYLINDER USING HELICAL RODS WITH GAP FOR TANDEM

CONFIGURATION TO FLOW PATTERN STYLES AND EXCITED

  VORTEX SHEDDING FORCES KRESNA HADI DWIPAYANA NRP. 4312100073 SUPERVISORS : Dr. Eng Rudi W. Prastianto, S.T., M.T. Nur Syahroni, S.T., M.T., Ph.D. DEPARTMENT OF OCEAN ENGINEERING FACULTY OF MARINE ENGINEERING

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017

  

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH JARAK ANTAR SILINDER

DENGAN HELICAL RODS BER-GAP UNTUK KONFIGURASI TANDEM

TERHADAP POLA ALIRAN DAN GAYA EKSITASI VORTEX SHEDDING

  Nama Mahasiswa : Kresna Hadi Dwipayana NRP : 4312100073 Departemen : Teknik Kelautan

  Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember

  Dr. Eng Rudi W. Prastianto, S.T., M.T

  Dosen Pembimbing : Nur Syahroni, S.T., M.T., Ph.D.

  

ABSTRAK

  Penelitian ini berisi laporan eksperimen laboratorium untuk memeriksa pengaruh jarak antar dua silinder yang dilengkapi triple helical rods ber-gap terhadap gaya eksitasi dan pola aliran di belakang struktur tersebut. Dimensi triple helical rods ber-gap menggunakan dimensi efisien menurut Sugiwanto (2013). Eksperimen ini dilakukan di Laboratorium Low Speed Wind Tunnel, BBTA3 - BPPT, Serpong, Tangerang Selatan. Hasilnya adalah dan

  ̅ silinder depan akan menurun seiring dengan bertambahnya jarak antar silinder (l/D). dan silinder ̅ belakang mendapat efek shielding berturut konfigurasi 1,75D; 3D

• – turut untuk ̅

  4

  dan 5D pada Re 4,2  10 sebesar 0,064; 0,213; 0,504 dan konfigurasi 1,75D; 3D dan 5D sebesar 0,138; 0,265; 0,599. Tidak terjadi perubahan signifikan akibat interferensi antar silinder terhadap . Akan tetapi mendapat

  ̅ pengaruh interferensi signifikan pada jarak 1,75D di seluruh angka Reynolds dan

  5D pada beberapa angka Reynolds berupa kenaikan . Untuk analisis pola aliran fluida, jarak 1,75D masuk kedalam kategori W-T1, sedangkan jarak 3D dan

  5D masuk kedalam kategori W-T2 menurut klasifikasi Zdravkovich (1987) dan suppression device berperan dalam memecah vortex shedding yang terjadi.

  

Kata kunci : Vortex Shedding, Koefisien Drag, Koefisien Lift, Pola Aliran,

Suppression Device, Shielding Effect

  

EXPERIMENTAL STUDY ON EFFECT OF DISTANCE BETWEEN

CYLINDER USING HELICAL RODS WITH GAP FOR TANDEM

CONFIGURATION TO FLOW PATTERN STYLES AND EXCITED

VORTEX SHEDDING FORCES

  Nama Mahasiswa : Kresna Hadi Dwipayana NRP : 4312100073 Departemen : Teknik Kelautan

  Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember

  Dr. Eng Rudi W. Prastianto, S.T., M.T

  Dosen Pembimbing : Nur Syahroni, S.T., M.T., Ph.D.

  

ABSTRACT

  This study contains reports of laboratory experiments to examine the effect of distance between the two cylinders attached by triple helical rods with air-gap to excitation forces and the flow pattern. Dimensions of the model according to (Sugiwanto, 2013). This experiment was conducted at the Laboratory of Low Speed Wind Tunnel, BBTA3 - BPPT, Serpong, South Tangerang. The result are and

  ̅ of the front cylinder decreases with increasing the distance between cylinder (l/D). and of rear silinder got shielding effects, respectively for of

  ̅ ̅

  4

  configuration 1,75D; 3D and 5D on Re 4,2  10 are about 0,064; 0.213; 0.504 and are about 0,138; 0,265; 0.599. No significant changes due to interference between the cylinder of the . However

  ̅ got a significant interference as shifting of on the distance 1,75D at whole Reynolds number and on the distance 5D at a few small Reynolds number. For the flow patterns, distance 1,75D classified into W-T1 while the distance of 3D and 5D classified into W-T2 according to the classification of Zdravkovich (1987) and the suppression device plays a role in breaking the vortex shedding.

  

Key Word : Vortex Shedding, Drag Coefficient, Lift Coefficient, Flow Pattern,

Suppression Device, Shielding Effect

KATA PENGANTAR

  Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis mampu menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. Ucapan terima kasih juga penulis berikan kepada Bapak Dr.Eng. Rudi W. Prastianto, S.T., M.T dan Bapak Nur Syahroni, S.T, M.T, Ph.D selaku dosen pembimbing yang selalu mengarahkan dan membimbing penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.

  Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan Studi Sarjana Strata-1 (S-1) di Departemen Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan (FTK), Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS). Dalam Tugas Akhir yang berjudul

  “STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH JARAK ANTAR

SILINDER DENGAN HELICAL RODS BER-GAP UNTUK KONFIGURASI

TANDEM TERHADAP POLA ALIRAN DAN GAYA EKSITASI VORTEX

SHEDDING

  ” penulis melakukan eksperimen laboratorium untuk mengetahui

  karakteristik suppression device berjenis triple helical rods ber-gap yang dipasang pada dua struktur silinder konfigurasi tandem dengan variasi jarak antar silinder dan angka Reynolds.

  Penulis sangat terbuka dengan berbagai saran maupun kritik yang membangun sebagai bahan untuk menyempurnakan kekurangan

• – kekurangan yang ditemui pembaca pada laporan tugas akhir ini. Penulis berharap semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi kemajuan maritim Indonesia.

  Surabaya, Januari 2017 Kresna H. Dwipayana

UCAPAN TERIMA KASIH

  Dalam menyelesaian Tugas Akhir ini, penulis secara langsung maupun tidak langsung telah mendapat bantuan dari berbagai pihak baik dalam bentuk material maupun moral. Untuk itu, dengan seluruh kerendahan hati penulis ingin mengucapkan terimakasih sebagai penghormatan kepada pihak

• – pihak yang telah membantu tersebut, antara lain : 1.

  Ibu Choeriatin dan Bapak M. Ashadi selaku ibu dan ayah penulis atas cinta

• – dan dukungan baik secara moral maupun material yang tidak habis habisnya kepada penulis.

  2. Bapak Dr. Eng. Rudi W. Prastianto, S.T., M.T dan Bapak Nur Syahroni, S.T, M.T, Ph.D selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah banyak memberikan waktu dan saran kepada penulis.

  3. Bapak Farid selaku kepala BBTA3 - BPPT dan Bapak Wibi selaku kepala divisi R&D yang telah memberikan izin untuk penggunaan fasilitas laboratorium.

  4. Bapak Yudi dan Bapak Tyo selaku pembimbing laboratorium serta Bapak Angga, Bapak Irul, Bapak Andi, Bapak Sahran, Bapak Muhidi dan karyawan

• – karyawati BBTA3 – BPPT yang tidak dapat disebutkan satu persatu atas bantuan dan bimbingannya selama eksperimen berlangsung.

  5. Keluarga besar Himatekla termasuk kawan – kawan VARUNA, kakak – kakak dan adik

• – adik atas waktu yang disempatkan bersama penulis selama ini.

  6. Bagas, Bepe, Fino, Adit, Afif dan Budi atas dukungan secara langsung maupun tidak langsung sebagai sahabat terdekat penulis selama menjadi mahasiswa. Semoga seluruh bantuan dan dukungan yang telah diberikan kepada penulis mendapat balasan dari Allah SWT. Amin.

  

DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL ...........................................................................................i LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................iii ABSTRAK ..........................................................................................................iv KATA PENGANTAR ........................................................................................vi UCAPAN TERIMA KASIH ...............................................................................vii DAFTAR ISI .......................................................................................................viii DAFTAR GAMBAR ..........................................................................................x DAFTAR TABEL ...............................................................................................xii DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................xiii

  BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................1

  1.1 Latar Belakang .......................................................................................1

  1.2 Rumusan Masalah ..................................................................................2

  1.3 Tujuan ....................................................................................................2

  1.4 Batasan Masalah ....................................................................................3

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI ....................................5

  2.1 Tinjauan Pustaka ....................................................................................5

  2.2 Dasar Teori .............................................................................................7

  2.2.1 Angka Reynolds .............................................................................7

  2.2.2 Viskositas .......................................................................................8

  2.2.3 Kerapatan Udara .............................................................................9

  2.2.4 Pengaruh Temperatur terhadap Viskositas Gas .............................10

  2.2.5 Klasifikasi Aliran Fluida yang Melalui Struktur Silinder ..............11

  2.2.6 Vortex Shedding .............................................................................12

  2.2.7 Gaya Akibat Vortex Shedding .......................................................13

  2.2.8 Peralatan Laboratorium ..................................................................15

  a. Wind Tunnel ...................................................................................15

  b. Anemometer ...................................................................................16

  c. Load Cell ........................................................................................17

  d. Smoke Generator ............................................................................18

  e. Kamera High Speed ........................................................................19

  BAB III METODE PENELITIAN......................................................................21

  3.1 Diagram Alir Penelitian .........................................................................21

  3.2 Prosedur Penelitian ................................................................................22

  3.2.1 Studi Literatur ................................................................................22

  3.2.2 Pengumpulan Data .........................................................................23

  3.2.3 Pembuatan Model ...........................................................................23

  3.2.4 Kalibarsi Alat Ukur ........................................................................24

  a. Kalibrasi Fan Driver .......................................................................24

  b. Kalibrasi Load Cell .........................................................................26

  3.2.5 Tahap Validasi Model ....................................................................27

  3.2.6 Tahap Eksperimen ..........................................................................29

  3.2.7 Hasil dan Pembahasan ....................................................................32

  3.2.8 Penarikan Kesimpulan ....................................................................32

  BAB IV. ANALISIS DAN PEMBAHASAN .....................................................33

  4.1 Validasi Model .......................................................................................33

  4.2 Hasil Pengujian Gaya Drag Konfigurasi Tandem .................................37

  4.2.1 Koefisien Drag Rata

• – Rata ............................................................37

  4.2.2 Koefisien Drag Root Mean Square ................................................40

  4.2.3 Pengaruh Variasi Jarak terhadap dan .............................43 ̅

  4.3 Hasil Pengujian Gaya Lift Konfigurasi Tandem ...................................46

  4.3.1 Koefisien Lift Rata

• – Rata ..............................................................48

  4.3.2 Koefisien Gaya Lift Root Mean Square .........................................50

  4.3.3 Pengaruh Variasi Jarak terhadap dan ..............................52 ̅

  4.4 Perbandingan Hasil dengan Penelitian Sebelumnya ..............................54

  4.5 Visualisasi Aliran di Belakang Silinder .................................................57

  4.5.1 Visualisasi Aliran di Belakang Silinder Tunggal ...........................58

  4.5.2 Visualisasi Aliran di Belakang Silinder Konfigurasi Tandem .......59

  BAB V. PENUTUP .............................................................................................61

  5.1 Kesimpulan ...................................................................................................61

  5.2 Saran ..............................................................................................................62 DAFTAR PUSTAKA .........................................................................................63 LAMPIRAN

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Area Interferensi Struktur Silinder (Zdravkovich, 1987) ...............5Gambar 2.2 Pola Interferensi Aliran Dua Struktur Silinder Konfigurasi

  Jamak (Zdravkovich, 1987) ...........................................................6

Gambar 2.3. Kurva terhadap Reduced Velocity (Papaioannou dkk, 2007) ....7

  ̅

Gambar 2.4. Deformasi Aliran Fluida Akibat Shear Stress (Potter dkk, 2011)..8Gambar 2.5. Klasifikasi Pola Aliran Fluida pada Struktur Silinder Polos

  Blevins, 2001) ................................................................................11

Gambar 2.6. Skema Terjadinya Fenomena Vortex Shedding (Sumer &

  Fredsoe, 2006) ...............................................................................12

Gambar 2.7. Arah Gaya Drag dan Gaya Lift terhadap Aliran Fluida .................13Gambar 2.8. Grafik Osilasi Gaya Drag dan Lift dalam Fungsi Waktu

  (Drescher, 1956; Sumer & Fredsoe 2006) .....................................14

Gambar 2.9. Wind Tunnel Saluran Terbuka (NASA, 2015) ...............................15Gambar 2.10. Anemometer .................................................................................16Gambar 2.11. Load Cell ......................................................................................17Gambar 2.12. Arah Pembacaan Gaya pada Load Cell S.....................................18Gambar 2.13. Arah Pembacaan Gaya pada Load Cell Beam .............................18Gambar 2.14. Smoke Generator ..........................................................................19Gambar 2.15. Kamera High Speed FastecImaging

• – HiSpec 1 ..........................20

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian .................................................................21Gambar 3.2. Diagram Alir Penelitian (lanjutan) .................................................22Gambar 3.3. Fasilitas Low Speed Wind Tunnel BBTA3, BPPT, Serpong

  (http://baru.lagg.or.id/) ...................................................................23

Gambar 3.4. Model Silinder Polos ......................................................................24Gambar 3.5. Model Silinder dengan Helics ........................................................24Gambar 3.6. Hasil Kalibrasi Fan Wind Tunnel ...................................................25Gambar 3.7. Hasil Kalibrasi Load Cell S (LC1) .................................................26Gambar 3.8. Hasil Kalibrasi Load Cell S (LC2) .................................................26Gambar 3.9. Hasil Kalibrasi Load Cell S (LC3) .................................................27Gambar 3.10. Hasil Kalibrasi Load Cell Beam (LC4) ........................................27Gambar 3.11. Posisi Pemasangan Load Cell untuk Pengujian Gaya Drag .........28Gambar 3.12. Posisi Pemasangan Model Pengujian Tahap Validasi..................28Gambar 3.13. Variasi jarak (l/D) Konfigurasi Tandem ......................................29Gambar 3.14. Instalasi Model di dalam Seksi Uji ..............................................29Gambar 3.15. Posisi Pemasangan Load Cell untuk Pengujian (a) Gaya

  Drag (b) Gaya Lift. ........................................................................30

Gambar 3.16. Ilustrasi Pemasangan Load Cell untuk Pengujian Gaya Drag......30Gambar 3.17. Ilustrasi Pemasangan Load Cell untuk Pengujian Gaya Lift........31Gambar 3.18. Pengujian Visualisasi Aliran Fluida Silinder Helics

  Konfigurasi Tandem ......................................................................32

Gambar 4.1. Silinder Polos Konfigurasi Tunggal (Wieselberger, 1922) ......33

  ̅

Gambar 4.2. Grafik Perbandingan Silinder Polos dengan Referensi ........35

  ̅ ̅

Gambar 4.3. Grafik Perbandingan Silinder Polos dengan

  Silinder Helics Tunggal .................................................................35

Gambar 4.4 Grafik Perbandingan Silinder Polos dengan Silinder

  ̅ ̅ Helics Tunggal ...............................................................................37

Gambar 4.5. Konfigurasi Tandem 1,75D .......................................................38

  ̅

Gambar 4.6. Konfigurasi Tandem 3D ............................................................39

  ̅

Gambar 4.7. Konfigurasi Tandem 5D ............................................................40

  ̅

Gambar 4.8. Konfigurasi Tandem 1,75D .................................................41Gambar 4.9. Konfigurasi Tandem 3D ......................................................42Gambar 4.10. Konfigurasi Tandem 5D ....................................................42Gambar 4.11. Silinder Depan Konfigurasi Tandem ......................................43

  ̅

Gambar 4.12. Silinder Belakang Konfigurasi Tandem ..................................43

  ̅

Gambar 4.13. Silinder Depan Konfigurasi Tandem .................................44Gambar 4.14. Silinder Belakang Konfigurasi Tandem ............................45Gambar 4.15. Shielding Factor Silinder Belakang Dibandingkan API RP

  2A-WSD ........................................................................................45

Gambar 4.16. Grafik Perbandingan Silinder Polos dengan Silinder

  ̅ ̅ Helics Tunggal ...............................................................................47

Gambar 4.17. Perbandingan Silinder Polos dengan

  Silnder Helics Tunggal ...............................................................................47

Gambar 4.18. Konfigurasi Tandem 1,75D .....................................................48

  ̅

Gambar 4.19. Konfigurasi Tandem 3D ..........................................................49

  ̅

Gambar 4.20. Konfigurasi Tandem 5D ..........................................................49

  ̅

Gambar 4.21. Konfigurasi Tandem 1,75D................................................50Gambar 4.22. Konfigurasi Tandem 3D.....................................................51Gambar 4.23. Konfigurasi Tandem 5D.....................................................52Gambar 4.24. Silinder Depan Konfigurasi Tandem .......................................53

  ̅

Gambar 4.25. Silinder Belakang Konfigurasi Tandem ..................................53

  ̅

Gambar 4.26. Silinder Depan Konfigurasi Tandem .................................54Gambar 4.27. Silinder Belakang Konfigurasi Tandem .............................54Gambar 4.28. Perbandingan dengan Penelitian Sebelumnya ........................55

  ̅

Gambar 4.29. Perbandingan C D osilasi dengan Penelitian Sebelumnya .............56

  L

Gambar 4.30. Perbandingan C osilasi dengan Penelitian Sebelumnya .............57Gambar 4.31. Pola Aliran di Belakang Silinder Polos Tunggal pada

  4

  v=5m/s (Re : 1,6 ) ..................................................................58  10

Gambar 4.32. Pola Aliran Dibelakang Silinder Helics Tunggal pada

  4

  v=5m/s (Re : 1,6 ) ..................................................................58  10

Gambar 4.33. Pola Aliran Dibelakang Silinder Konfigurasi Tandem untuk

  4 Jarak 1,75D pada v = 5 m/s (Re : 1,6 ) ..................................60

   10

Gambar 4.34. Pola Aliran Dibelakang Silinder Konfigurasi Tandem untuk

  4 Jarak 3D pada v = 5 m/s (Re : 1,6 ) .......................................60

   10

Gambar 4.35. Pola aliran Dibelakang Silinder Konfigurasi Tandem untuk

  4 Jarak 5D pada v = 5 m/s (Re : 1,6 ) .......................................60

   10

  

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Dimensi Model Uji.............................................................................23Tabel 4.1. Perbandingan Silinder Polos dengan Referensi ............................34

  ̅

Tabel 4.2. Perbandingan Silinder Polos dengan Silinder Helics Tunggal 36

  ̅ ̅

Tabel 4.3. Perbandingan Silinder Polos dengan Silinder Helics

  Tunggal ...............................................................................................37

Tabel 4.4. Shielding Factor Silinder Belakang ...................................................46

DAFTAR LAMPIRAN

  LAMPIRAN A. DETAIL PEMBUATAN MODEL UJI LAMPIRAN B. HASIL PENCATATAN FREKUENSI FAN DRIVER LAMPIRAN C. DETAIL KALIBRASI LOAD CELL LAMPIRAN D. DETAIL PERHITUNGAN PENGUJIAN GAYA LAMPIRAN E. REKAMAN DATA ANEMOMETER LAMPIRAN F. REKAMAN DATA LOAD CELL

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

  Fenomena vortex shedding adalah fenomena yang lazim ditemui pada aliran fluida yang bergerak melalui sebuah struktur silinder dengan angka Reynolds (Re) di atas 40 (Sumer dan Fredsoe, 2006). Fenomena Vortex Shedding secara periodik membangkitkan gaya

• – gaya pada silinder berupa gaya drag dan gaya lift secara periodik juga sehingga menyebabkan getaran pada struktur yang sering disebut dengan Vortex Induced Vibration (VIV). Pada beberapa kasus tertentu seperti pada sambungan pipa yang umumnya berupa sambungan las, getaran ini akan menyebabkan kegagalan fatigue pada struktur tersebut.

  Oleh karena itu upaya untuk mengurangi pengaruh vortex shedding terhadap getaran struktur terus dilakukan untuk meningkatkan performa dari struktur berbentuk silinder. Menurut Hallam dkk, (1978) dalam Sumer dan Fredsoe (2006) salah satu metode untuk menekan vibrasi akibat vortex shedding adalah dengan mengatur vortex yang terjadi di belakang struktur. Zdravkovich (1981) dalam Sumer dan Fredsoe (2006) mengklasifikasikan sedikitnya tiga metode untuk mengatur vortex shedding menggunakan suppression device yaitu: Surface

  

Protrusion , Shrouds dan Wake Stabilizers. Berbagai penelitian telah membuktikan

  bahwa penggunaan surface protrusion berjenis triple helical rod ber-gap efektif meredam getaran sekaligus gaya friksi statis yang terjadi pada struktur silinder seperti pada penelitian Sugiwanto (2013) dan Al-Musthofa (2014).

  Konfigurasi satu struktur silinder sangat jarang ditemui dalam aplikasi engineering. Biasanya beberapa struktur silinder seperti kaki jacket, raiser maupun konduktor terpasang berdekatan satu - sama lain. Zdrakovich (1987) menunjukkan pola aliran fluida yang melalui dua silinder halus baik pada konfigurasi tandem maupun side

• – by – side dimana pada konfigurasi tandem sedikitnya ada dua zona penting klasifikasi jenis pola aliran fluida. Yang pertama adalah zona dimana jarak kedua struktur sangat dekat sehingga tidak terjadi interferensi. Kemudian selanjutnya adalah zona dimana terjadi interferensi antar dua silinder. Pada zona

ini, jarak kedua struktur sangat berpengaruh pada jenis vortex yang terjadi dibelakang silinder kedua.

  Kemudian Papaioannou, dkk (2007) menjelaskan mengenai efek spasial dua struktur silinder pada bilangan Reynolds rendah di daerah wake interference. Hasilnya adalah interferensi kedua struktur berpengaruh pada gaya drag, gaya lift, amplitudo getaran, resonansi dan flow pattern baik pada struktur depan maupun belakang (Papaioannou dkk, 2007).

  Beberapa penelitian tersebut di atas mendorong peneliti untuk melakukan eksperimen tentang pengaruh jarak antar dua silinder dengan helical rods ber-gap sebagai suppression device untuk konfigurasi tandem terhadap pola aliran dan gaya eksitasi vortex shedding.

  Eksperimen dilakukan di dalam laboratorium Balai Besar Teknologi Aerodinamika Aeroelastika dan Aeroakustika (BBTA3), BPPT, Serpong menggunakan wind tunnel sebagai generator aliran fluida.

1.2 Rumusan Masalah 1.

  Bagaimana pengaruh variasi jarak antar silinder (l/D) dan Reynolds Number (Re) terhadap perubahan koefisien drag yang terjadi di kedua struktur silinder tandem dengan helical rod ber-gap?

2. Bagaimana pengaruh variasi jarak antar silinder (l/D) dan Reynolds Number

  (Re) terhadap perubahan koefisien lift yang terjadi di kedua struktur silinder tandem dengan helical rod ber-gap?

  3. Bagaimana pola aliran fluida yang melalui dua struktur silinder tandem dengan helical rod ber-gap akibat variasi jarak antar silinder?

1.3 Tujuan 1.

  Mengetahui pengaruh variasi jarak antar silinder (l/D) dan Reynolds Number (Re) terhadap perubahan koefisien drag yang terjadi di kedua struktur silinder tandem dengan helical rod ber-gap.

2. Mengetahui pengaruh variasi jarak antar silinder (l/D) dan Reynolds Number

  (Re) terhadap perubahan koefisien lift yang terjadi di kedua struktur silinder tandem dengan helical rod ber-gap

3. Mengetahui pola aliran fluida yang melalui dua struktur silinder tandem dengan helical rod ber-gap akibat variasi jarak antar silinder.

1.4 Batasan Masalah

  1. Menggunakan dua silinder identik dengan ukuran panjang (L) 480 mm, diameter (D) 50,8 mm, diameter helic (d) 3 mm, gap helic dengan struktur 3 mm dan diameter serta tebal end plate adalah 80 mm dan 5 mm.

  2. Menggunakan variasi jarak tandem (l/D) yaitu 1,75D; 3D; 5D.

  3. Aliran fluida dibangkitkan menggunakan low speed wind tunnel milik BBTA3.

  4. Variasi angka Reynolds diatur melalui variasi kecepatan aliran fluida pada rentang kecepatan (v) 5 m/s

• – 20 m/s dan selisih 1 m/s untuk pengujian gaya.

  5. Fluida menggunakan udara.

  6. Struktur silinder rigid dengan tumpuan roll yang ditahan load cell di kedua tumpuannya sehingga posisi relatif kedua silinder tidak berubah.

  7. Spesimen depan dan belakang dipasang sedemikian rupa sehingga posisi relatif helical rods ber-gap terhadap silinder tetap sama pada semua variasi pengujian.

  

(halaman ini sengaja dikosongkan)

BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

  Interaksi dua struktur silinder dijelaskan oleh Zdrakovich (1987) dimana sedikitnya ada 3 daerah interferensi yaitu daerah Proximity, Interference dan Wake

  Interference seperti yang dijelaskan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Area Interferensi Struktur Silinder (Zdravkovich, 1987).

  Setiap daerah interferensi tersebut akan menghasilkan karakteristik pola aliran yang berbeda

• – beda. Zdrakovich (1987) mengklasifikasikan karakteristik pola aliran untuk daerah wake interference menjadi 3 bagian seperti yang ditunjukkan Gambar 2.2.

  Yang pertama adalah daerah W-T1 dengan jarak 1 < l/D < 1,2-1,8 (tergantung angka Reynolds). Pada daerah ini aliran fluida yang mengenai struktur silinder pertama tidak menyentuh struktur silinder kedua akan tetapi langsung diteruskan ke bagian belakang dari silinder kedua. Hal ini menyebabkan karakteristik aliran fluida yang terbentuk sama dengan karakteristik aliran fluida yang terjadi pada struktur silinder tunggal. Yang kedua adalah daerah W-T2 dengan jarak 1.2-1.8 < l/D < 3.4- 3.8 (tergantung angka Reynolds). Pada daerah ini lapisan shear yang terpisah pada silinder depan akan menyentuh bagian silinder belakang sehingga vortex street hanya terbentuk di bagian belakang silinder kedua. Kemudian daerah W-T(1+2) dengan jarak l/D > 3,4

• – 3,8 (tergantung angka Reynolds). Pada daerah ini, vortex akan terbentuk di belakang silinder pertama yang kemudian berinteraksi dengan silinder kedua membentuk binary vortex. Dua vortex street akan terbentuk di belakang silinder kedua yang menyebabkan fluktuasi nilai gaya lift pada silinder kedua (Arie dkk, 1983 dalam Zdrakovich, 1987).

Gambar 2.2 Pola Interferensi Aliran Dua Struktur Silinder Konfigurasi Jamak (Zdravkovich, 1987).

  Papaioannou dkk, (2007) memeriksa pengaruh perubahan jarak terhadap respon dua struktur silinder untuk konfigurasi tandem di daerah wake interference menggunakan analisa numerik. Hasilnya adalah amplitudo respon, C D osilasi dan C L osilasi yang terjadi pada silinder belakang dan silinder depan memiliki kurva yang fluktuatif seiring perubahan jarak l/D. Pada jarak l/D =5, keberadaan silinder

  D L

  belakang hampir sama sekali tidak mempengaruhi C dan C osilasi dari silinder pertama. Akan tetapi untuk C D rata

• – ratanya, silinder depan mengalami penurunan pada jarak 3.5D dan kemudian naik kembali pada jarak 5D. Sedangkan untuk

  D

  silinder belakang secara umum efek shielding yang menyebabkan C rata - rata turun hingga mendekati nilai nol berangsur-angsur meningkat seiring dengan

  D

  pertambahan jarak l/D (Papaioannou dkk, 2007). Kurva C rata )pada

• – rata ( ̅ penelitian tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3. Kurva terhadap Reduced Velocity (kiri : silinder depan; kanan :

  ̅ silinder belakang). silinder tunggal; ---o---, tandem P/D=2,5; ---*---, tandem P/D=3,5; --- □---, tandem P/D=5,0. (Papaioannou dkk, 2007).

  Kemudian Sugiwanto (2013) membuat sebuah penelitian numerik tentang pengaruh suppression device terhadap gaya drag dan gaya lift yang terjadi pada sebuah struktur silinder. Suppression device yang digunakan adalah jenis triple

  

helical rods ber-gap dengan variasi pengujian yaitu rasio diameter helics dengan

  diameter silinder dan rasio gap dengan diameter silinder. Penelitian numerik ini menghasilkan suatu konfigurasi diameter helics dan gap helics optimum yaitu 0,00625D yang mampu menurunkan getaran akibat vortex sebesar 35%.

  Al-Musthofa (2014) melakukan eksperimen laboratorium terhadap triple

  

helical rods bergap optimum menurut Sugiwanto (2013) yaitu menggunakan rasio

  diameter helix dan gap helix sebesar 0,00625D. Hasil penelitiannya adalah suppression device tersebut efektif meredam gaya drag sebesar 50% pada Re 2,36

  4

  4

  x 10 , gaya lift sebesar 55% pada Re 2,86 x 10 , dan amplitudo respon sebesar 49%

  4 pada Re 3,03 x 10 .

  2.2 Dasar Teori

  2.2.1 Angka Reynolds Di dalam analisis pola aliran fluida, parameter

• – parameter tak berdimensi diperlukan untuk menggambarkan kondisi secara umum dari hasil sebuah penelitian baik secara numerik maupun eksperimen. Parameter – parameter tak berdimensi

  digunakan untuk membantu menyajikan penyelesaian suatu fungsi yang kompleks sehingga dapat digunakan sebagai penyelesaian umum dari satu kejadian dengan parameter yang sama. Reynolds Number atau angka Reynolds (Re) merupakan parameter tak berdimensi yang menyatakan perbandingan gaya inersia dengan gaya friksi viskositas fluida (Blevins, 2001). Lapisan batas (boundary layer) terbentuk setelah sebuah aliran fluida menabrak struktur, memisahkan satu aliran steady

  

uniform menjadi bentuk aliran lain. Besarnya lapisan batas ini bergantung pada

  gaya inersia aliran fluida yang menabrak struktur dan viskositas fluida terhadap struktur. Perbandingan kedua gaya ini lah yang kemudian digunakan dalam mengklasifikasikan bentuk pola aliran fluida yang melalui sebuah struktur. Reynolds Number (Re) dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut 2.1.

  2.1 ( ) = dimana,

  U = kecepatan aliran fluida

  2

  = viskositas kinematis fluida (m /s) D = diameter struktur

2.2.2 Viskositas

  Viskositas ( μ) adalah suatu parameter fluida yang menyatakan kekentalan atau kelengketan antar partikel fluida (Potter dkk, 2011).

Gambar 2.4. Deformasi Aliran Fluida Akibat Shear Stress (Potter dkk, 2011).

  Viskositas merupakan suatu sifat tahanan fluida terhadap deformasi akibat

  

stress , baik itu shear stress maupun tension stress. Pada satu nilai stress tertentu,

  fluida dengan nilai viskositas lebih tinggi akan terdeformasi lebih lambat dibanding dengan fluida dengan nilai viskositas lebih rendah.

  Viskositas dijelaskan dengan baik melalui diagram deformasi aliran fluida yang ditunjukkan Gambar 2.4. Plat pada salah satu sisi fluida digeser pada kecepatan tertentu sehingga menimbulkan gaya geser pada fluida. Gaya geser ini kemudian menggerakkan fluida dengan kecepatan yang bervariasi terhadap jarak plat atau ditulis u=u(y). Untuk kasus fluida udara yang termasuk kedalam jenis fluida Newtonian, shear stress secara langsung berpengaruh pada deformasi (Fox dkk, 2004). Sehingga persamaan shear stress fluida Newtonian sebagai fungsi viskositas dinamis dapat ditulis dalam persamaan 2.2.

  2.2 =

  Kemudian untuk viskositas kinematis merupakan rasio perbandingan dari viskositas dinamis dengan masa jenis yang biasa dilambangkan dengan .

  Persamaan untuk viskositas kinematis ditulis dalam persamaan 2.3.

  =

  2.3 dimana,

  2

  = shear stress (kg.m/s ) = komponen kecepatan fluida arah horizontal

  3

  = masa jenis fluida (kg/m ) = viskositas dinamis fluida (kg/m.s)

  2

  = viskositas kinematis fluida (m /s)

2.2.3 Kerapatan Udara

  Udara merupakan fluida yang termampatkan sehingga masa jenisnya ( ρ) sangat terpengaruh oleh perubahan temperatur dan tekanan udara. Pengaruh

2.2.4 Pengaruh Temperatur terhadap Viskositas Gas

  2 ⁄

  2.6

  2.5

  2.4

  S = 110,4 K

  1/2

  kg/msK

  Sedangkan untuk nilai konstanta b dan S sebagai berikut: b = 1,458 x 10

  = komponen kecepatan fluida arah horizontal = viskositas dinamis fluida (kg/m.s) = temperatur gas (K)

  1 + ⁄ dimana,

  1

  temperatur dan tekanan udara terhadap berat jenis dari udara kering dapat dihitung menggunakan persamaan gas ideal pada persamaan 2.4.

  =

  ≈ √ Persamaan empiris dari viskositas sebagai fungsi suhu mengacu pada Hukum Sutherland pada persamaan 2.6 yaitu sebagai berikut :

  Gerakan molekul udara merupakan gerakan acak kontinyu. Menurut teori kinetik gas pada persamaan 2.5, kecepatan molekul sebanding dengan akar kuadrat dari temperatur sistem gas tersebut (Fox dkk,2004).

  = konstansa spesifik gas untuk udara kering (J/Kg.K) T = temperatur udara (K)

  ) R

  2

  ) p = tekanan udara (N/m

  3

  = masa jenis fluida (kg/m

  ρ = p dimana,

• -6

2.2.5 Klasifikasi Aliran Fluida yang Melalui Struktur Silinder

  Pola aliran fluida yang melalui sebuah struktur silinder bergantung pada sebuah parameter Reynolds Number. Setiap angka Reynolds memiliki pola aliran fluida yang berbeda

• – beda, akan tetapi menurut Liendhard (1966) dalam Blevins (2001) pola aliran tersebut sedikitnya dapat dikelompokkan ke dalam enam kelompok.

Gambar 2.5. Klasifikasi Pola Aliran Fluida pada Struktur Silinder Polos (Blevins, 2001).

  Untuk fluida dengan angka Reynolds kurang dari 5, fluida yang melalui struktur silinder akan mengikuti kontur dari silinder tersebut. Pada kondisi ini tidak terjadi pemisahan aliran fluida dan disebut dengan Regime of Unseparated Flow. Pada angka Reynolds 5<Re<40 terjadi pola aliran fluida simetris dengan dua fix

  

vortex berlawanan arah yang terjebak didalam aliran. Pada angka Reynolds

  40<Re<90 mulai terjadi pelepasan vortex yang membentuk pola laminar vortex

  

streets yang disebabkan karena ketidakstabilan area wake atau area di belakang

  silinder. Pada angka Reynolds 90<Re150 juga terjadi laminar vortex streets akan tetapi disebabkan karena pelepasan vortex. Untuk kondisi 150<Re<300 dan

  5

  300<Re<3x10 terjadi pola turbulence vortex streets dimana pada kondisi

  5

  300<Re<3x10 disebut dengan daerah subcritical. Pada kondisi transitional

  5

  6

  (3x10 <Re<3x10 ) terjadi turbulence di seluruh lapisan batas dan koefisien drag turun hingga 0.3 (Farel, 1981 dalam Blevins, 2001). Pada kondisi supercritical

  6

  (Re>3x10 ) pola turbulence vortex streets terbentuk kembali dengan turbulence pada seluruh lapisan batas (Roshko, 1961 dalam Blevins, 2001).

  2.2.6 Vortex Shedding

  Vortex shedding terjadi sejak angka Reynolds mencapai di atas 40 (Sumer

  & Fredsoe, 2006). Pada kondisi ini lapisan batas pada silinder akan terpisah akibat perbedaan tekanan yang disebabkan oleh perbedaan geometri pola aliran fluida di kedua sisi silinder. Akibatnya vortex berlawanan arah yang terbentuk di kedua sisi memiliki ukuran yang berbeda seperti yang ditunjukkan Gambar 2.6-a.

Gambar 2.6. Skema Terjadinya Fenomena Vortex Shedding. (gambar a) Vortex kecil B memotong aliran yang mendukung Vortex besar A. (gambar b) Pelepasan

  Vortex A. (Sumer & Fredsoe, 2006). Pertumbuhan vortex yang memiliki ukuran lebih kecil pada suatu saat akan memotong aliran yang menyokong pertumbuhan vortex yang lebih besar (Sumer

  & Fredsoe, 2006). Akibatnya vortex yang lebih besar akan terlepas dan kemudian meninggalkan vortex yang lebih kecil (Gambar 2.6-b). Fenomena ini berulang pada suatu periode tertentu yang kemudian disebut fenomena Vortex Shedding.

2.2.7 Gaya Akibat Vortex Shedding

  Aliran fluida di sekitar silinder akan membangkitkan gaya resultan pada silinder tersebut. Gaya yang terjadi pada silinder ini dibagi kedalam dua kategori berdasarkan arah bekerjanya, yaitu arah inline terhadap arah arus yang disebut gaya

  D L

  drag (F ) dan arah crossflow terhadap arah arus yang disebut gaya lift (F ) (lihat Gambar 2.7).

Gambar 2.7. Arah Gaya Drag dan Gaya Lift terhadap Aliran Fluida.

  Pola aliran yang berubah akibat fenomena vortex shedding akan menyebabkan perubahan besarnya tekanan dan gaya yang bekerja pada silinder secara periodik. Ketika vortex shedding terjadi, C D dan C L berubah secara periodik pada nilai mean drag ( ) tertentu dan mean lift ( ) sama dengan nol (Drescher,

  ̅ ̅

  D

  1956; Sumer dan Fredsoe, 2006). C berosilasi pada suatu nilai mean drag ( ) ̅ tertentu dimana nilai mean drag merupakan komponen gaya friksi dan osilasi drag

  ( ) merupakan komponen gaya akibat perubahan tekanan (Sumer & Fredsoe, ̇ 2006). Koefisien drag dan lift dapat diperoleh melalui persamaan 2.7, 2.8 dan 2.9.

  ̇ ̇ =

  2.7

  1

  2

  2 ̅

  ̅ =

  2.8

  1

  2

  2

  ̇

  2.9 ̇ =

  1

  2

  2 Menurut percobaan Drescher (1956) dalam Sumer & Fredsoe (2006) seperti pada gambar 2.8, frekuensi osilasi gaya drag adalah dua kali frekuensi vortex shedding sedangkan frekuensi osilasi gaya lift sama dengan frekuensi vortex sheddingnya. Kemudian Asyikin (2012) menuliskan gaya

• – gaya tersebut kedalam sebuah formulasi sebagai pada persamaan 2.10 dan 2.11. Dalam statistika, komponen osilasi biasa diwakili oleh komponen root mean square (Sumer & Fredsoe, 2006).

  = ̇ sin( + ∅ )

  2.10

  2.11 = ̅ + ̇ sin(2 + ∅ )

Gambar 2.8. Grafik Osilasi Gaya Drag dan Lift dalam Fungsi Waktu (Drescher, 1956; Sumer & Fredsoe 2006). dimana, = gaya lift (kg.m/s

  2

  = Amplitudo osilasi gaya drag (kg.m/s

Gambar 2.9. Wind Tunnel Saluran Terbuka (NASA, 2015).

  Wind Tunnel Wind Tunnel (Gambar 2.9) merupakan sebuah alat yang digunakan dalam penelitian aerodinamis untuk mempelajari efek dari udara yang bergerak melewati benda padat.

  ̅ = koefisien mean drag = panjang silinder (m)

  ̇ = koefisien osilasi gaya drag

  ̇ = koefisien osilasi gaya lift

  ) = frekuensi vortex shedding (rad/s)

  2

  ) ̇

  ) = gaya drag (kg.m/s

  2

  = Amplitudo osilasi gaya lift (kg.m/s

  ) ̇

  2

  = Mean drag (kg.m/s

  ) ̅

  2

2.2.8 Peralatan Laboratorium a.

  Berdasarkan bentuknya, wind tunnel memiliki dua jenis, yang pertama adalah saluran tertutup (closed circuit) dan saluran terbuka (open

  circuit ). Pada umumnya wind tunnel saluran terbuka terdiri atas fan,

  ruang difusser, test section, ruang contraction dan settling chamber. Fan atau kipas merupakan komponen utama penghasil aliran udara. Fan yang dihubungkan dengan sistem penggerak menyedot udara dari luar untuk memasuki terowongan. Kemudian udara yang masuk kedalam inlet wind

  tunnel memasuki bagian settling chamber yang berfungsi untuk